Method Article

דפוס של מיקרואורגניזמים ומיקרו-חלקיקים באמצעות הרכבה בסיוע נימים רציפים

DOI:

10.3791/63131

⸱

November 4th, 2021

 ,  ,  , 
1Institute of Environmental Engineering, Department of Civil, Environmental and Geomatic Engineering, ETH Zurich, 2Department of Materials, ETH Zurich

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

אנו מציגים טכנולוגיה המשתמשת בהרכבה בסיוע נימי בפלטפורמה מיקרופלואידית כדי לעצב עצמים בגודל מיקרו המושעים בנוזל, כגון חיידקים וקוליואידים, למערכים שנקבעו על מצע פולידימתילסילוקסן.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

דפוס מבוקר של מיקרואורגניזמים לסידורים מרחביים מוגדרים מציע אפשרויות ייחודיות למגוון רחב של יישומים ביולוגיים, כולל מחקרים של פיזיולוגיה מיקרוביאלית ואינטראקציות. ברמה הפשוטה ביותר, דפוס מרחבי מדויק של מיקרואורגניזמים יאפשר הדמיה אמינה וארוכת טווח של מספר גדול של תאים בודדים וישנה את היכולת לחקור באופן כמותי אינטראקציות מיקרואורגניזמים תלויות מרחק. באופן ייחודי יותר, צימוד דפוס מרחבי מדויק ושליטה מלאה על התנאים הסביבתיים, כפי שמוצע על ידי טכנולוגיה מיקרופלואידית, יספק פלטפורמה רבת עוצמה ורב-תכליתית למחקרים של תאים חד-תאיים באקולוגיה מיקרוביאלית.

מאמר זה מציג פלטפורמה מיקרופלואידית לייצור דפוסים רב-תכליתיים ומוגדרים על-ידי המשתמש של מיקרואורגניזמים בתוך ערוץ מיקרופלואידי, המאפשרים גישה אופטית מלאה לניטור ארוך טווח בעל תפוקה גבוהה. טכנולוגיה מיקרופלואידית חדשה זו מבוססת על הרכבת חלקיקים בסיוע נימים ומנצלת את כוחות הנימים הנובעים מהתנועה המבוקרת של השעיה מתאדה בתוך ערוץ מיקרופלואידי להפקדת עצמים מיקרו-זעירים בודדים במערך של מלכודות שעברו מיקרו-פבריקאט על מצע פולידימתילסילוקסן (PDMS). תצהירים רציפים יוצרים את הפריסה המרחבית הרצויה של סוגים בודדים או מרובים של אובייקטים בגודל מיקרו, המוכתבים אך ורק על ידי הגיאומטריה של המלכודות ורצף המילוי.

הפלטפורמה כויל באמצעות חלקיקים קולואידיים מממדים וחומרים שונים: היא הוכיחה את עצמה ככלי רב עוצמה ליצירת דפוסים קולואידיים מגוונים ולבצע פונקציונליזציה של פני השטח של חלקיקים לכודים. יתר על כן, הפלטפורמה נבדקה על תאים מיקרוביאליים, באמצעות תאי קולי Escherichia כחיידק מודל. אלפי תאים בודדים עוצבו על פני השטח, וצמיחתם הייתה במעקב לאורך זמן. בפלטפורמה זו, צימוד של תצהיר חד-תאי וטכנולוגיה מיקרופלואידית מאפשר הן דפוס גיאומטרי של מיקרואורגניזמים והן שליטה מדויקת בתנאים הסביבתיים. כך הוא פותח צוהר לפיזיולוגיה של חיידקים בודדים ולאקולוגיה של אינטראקציות מיקרואורגניזמים, כפי שמוצג בניסויים ראשוניים.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

דפוס מרחבי של מיקרואורגניזמים בודדים, במיוחד בתוך זירות ניסיוניות המאפשרות שליטה מלאה על תנאים סביבתיים, כגון מכשירים מיקרופלואידיים, רצוי מאוד במגוון רחב של הקשרים. לדוגמה, סידור מיקרואורגניזמים למערכים קבועים יאפשר הדמיה מדויקת של מספר רב של תאים בודדים וחקר צמיחתם, פיזיולוגיה, ביטוי גנים בתגובה לגירויים סביבתיים ורגישות לתרופות. זה גם יאפשר ללמוד אינטראקציות תא-תאים של עניין מיוחד במחקר לתוך תקשורת סלולרית (למשל, חישת מניין), האכלה צולבת (למשל, סימביוזה אצות-חיידקיות), או אנטגוניזם (למשל, אלופתיה), עם שליטה מלאה על לוקליזציה מרחבית של תאים ביחס זה לזה. מחקרי פיזיולוגיה ואבולוציה של תאים1, מחקרי אינטראקציה בין תאים2, ס....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. הכנה מאסטר סיליקון

הערה: תבניות ה- PDMS הנושאות את המלכודות המיקרו-פבריקטיות היוצרות את התבנית עבור דפוס קולואידי ומיקרוביאלי מפוברקות מפוברקות בהתאם לשיטה שהוצגה על ידי Geissler et al. 17. מאסטר הסיליקון הוכן על ידי ליטוגרפיה קונבנציונלית בחדר נקי. עיין בשלבים הבאים עבור ההליך וטבלת החומרים לקבלת הציוד.

  1. עצב את התכונות באמצעות תוכנת עיצוב בעזרת מחשב (CAD).
  2. הכינו את מסכת הכרום-זכוכית עם שכבה של פוטורזיסט חיובי על ידי חשיפת התכונות המעוצבות עם סופר לייזר ישיר UV.
    1. פתח את מסכת הכרום-זכוכית עם מפתח ספין באמצעות מפתח ביחס של 1:4 פוטורזיסט למ....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

פותחה פלטפורמה מיקרופלואידית המנצלת הרכבה בסיוע נימים כדי לעצב חלקיקים וחיידקים קולואידיים למלכודות שעברו מיקרו-פבריקט בתבנית PDMS. שתי גיאומטריות ערוץ שונות תוכננו כדי לייעל את התבנית של קולואידים וחיידקים באמצעות הרכבה בסיוע נימיות. הגיאומטריה של הערוץ הראשון (איור 1B) מורכבת משלושה חלקים מקבילים באורך 23 מ"מ ללא מחסום פיזי ביניהם. שני החלקים בצדדים הם ברוחב 5 מ"מ ובגובה 1 מ"מ, בעוד החלק המרכזי ברוחב 7 מ"מ ובגובה 500 מיקרומטר. עיצוב זה מסייע בשמירה על טיפה נעה מוגדרת היטב עם מניסקוס בצורת .......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

הפלטפורמה המיקרופלואידית המתוארת כאן מאפשרת דפוס של עצמים בגודל מיקרו, כגון קולואידים וחיידקים, לסידורים מרחביים שנקבעו על מצע PDMS. השליטה המלאה על התנאים הסביבתיים המוצעים על ידי מיקרופלואידיקה והיכולת לעצב תאים עם דיוק מיקרומטרי המוענק על ידי טכנולוגיית sCAPA הופכת אותו לפלטפורמה מבטיחה מאוד למחקרי פיזיולוגיה ואקולוגיה עתידיים.

בניסויים שהוצגו בעבודה זו, מאסטר הסיליקון מומש באמצעות photoresist שדווח בטבלת החומרים. עם זאת, ניתן להשתמש בכל פוטורזיסט המתאים להפקת תכונות בטווח .......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

למחברים אין ניגודי עניינים לחשוף.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המחברים מכירים בתמיכת מענק הפרימה של SNSF 179834 (ל- E.S.), מענק מחקר ETH-15 15 17-1 (R. S.), ופרס החוקר של קרן גורדון ובטי מור על סימביוזה מיקרוביאלית מימית (מענק GBMF9197) (R. S.). המחברים מודים לד"ר מיגל אנג'ל פרננדז-רודריגז (אוניברסיטת גרנדה, ספרד) על הדמיית SEM של חיידקים ועל הדיונים התובנות. המחברים מודים לד"ר ג'ן נגוין (אוניברסיטת קולומביה הבריטית, קנדה), ד"ר לורה אלוורז (ETH ציריך, שווייץ), קמרון בוגון (ETH ציריך, שווייץ) וד"ר פאביו גרילו על הדיונים התובנות.

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Alcatel AMS 200SE I-SpeederAlcatel Micro Machining Systemמערכת חילופי יונים תגובתיות עמוקה חומר
ניקויAlconox
AZ400K מפתחMicroChemicalsAZ400K
BD 10 מ"ל מזרק (Luer-Lock)BD300912המשמש לשטיפת מרק ליזוגני טרי לתעלה המיקרופלואידית
IncubatorLife שירותיהמשמשים להבטחת טמפרטורה אחידה וקבועה בתעלה
צנטריפוגהEppendorf5424Rהמשמשת להחלפת מדיית הלילה במדיה מינימלית טרייה
בקבוקון צנטריפוגהEppendorf301200861.5 מ"ל
CETONI Base 120CETONI GmbHמשאבת מזרק
PS פלואורסצנטיים בקוטר 0.98 ומיקרו; m (אדום)microParticles GmbHPS-FluoRed-Fi267
חלקיקי PS פלואורסצנטיים בקוטר 1.08 ומיקרו; m (ירוק)microParticles GmbHPS-FluoGreen-Fi182
חלקיקי PS פלואורסצנטיים בקוטר 2.07 ומיקרו; m (ירוק)microParticles GmbHPS-FluoGreen-Fi183
חלקיקי PS פלואורסצנטיים בקוטר 2.08 ומיקרו; m (אדום)microParticles GmbHPS-FluoRed-Fi180
Gigabatch 310 MPVA TePlaהמשמש לטיפול בפלזמה פרוסת סיליקון 10 ס"מ
H401-T-CONTROLLEROkolabשל צלחת הזכוכית המחוממת
H601-NIKON-TS2R-GLASSOkolabצלחת זכוכית מחוממת
היידלברג DWL 2000היידלברג מכשיריםלייזר ישיר UV
מזרקי אינסולין סופרים, U 100, עם מזרק LuerCodan Medical ApSCODA621640 1 מ"ל המשמש למשיכת התרחיף הנוזלי במהלך תהליך הדפוס
KlayoutOpensourceשימש לעיצוב התכונות על מרק LB מאסטר הסיליקון
, מילר (לוריא-ברטני)פישר סיינטיפיק244610מרק ליזוגני נשטף לתעלה המיקרופלואידית
Masterflex צינורות העברהMasterflexHV-06419-050.020 אינץ' ID, 0.06 אינץ' OD
MOPS (10x)TeknovaM2101מדולל פי עשרה במים milliQ ומשמש להחלפת המיקרוסקופ הבינוני
של Nikon Eclipse Ti2Nikon Instruments
openSCADOpenCodeהמשמש לעיצוב
התבנית קבוצת כספומטOPTIspin SB2051-0002-01-00מפתח ספין
תא פלזמה ZeptoDiener אלקטרוניZEPTO-1המשמש לטיפול בפלזמה בתבנית ובמיקרו-ערוץ כדי לחבר אותם
פוטו-רזיסט חיובי AZ1505MicroChemicalsAZ1505
אשלגן פוספט דו-בסיסיSigma AldrichP3786נוסף ל-MOPS 1x
מכונת ריפוי וכביסה Prusa CW1SPrusaמשמש כדי להבטיח שכל הפולימר נרפא ופולימר לא נרפא מוסר מהתבנית
שרף פרוסה - מחקר פרוסה קשוחא.ס.שרף נוזלי רגיש לאור UV 405nm להדפסת תלת מימד
תלת מימד Prusa SL1Prusaהמשמשת להדפסת התבנית
ScaleVWR-CH611-2605משמש לשקילת תערובת PDMS
פרוסת סיליקון (10 ס"מ)Silicon Materials Inc.N/Phos < 100> 1-10 ואומגה; ס"מ
Sü ss MA6 מיישר מסכותSUSS MicroTec Groupמשמש ליישור מסכת הכרום-זכוכית והמצע, ולחשוף את המצע
ערכת אלסטומר סיליקוןSylgard 184Dow Corning
Techni Etch Cr01Technicכרום תחריט
טריכלורו (1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl) סילאןסיגמא אולדריץ'448931 משמש לסיליאניזציה של התבנית המודפסת בתלת מימד
TWEEN 20Sigma AldrichP1379משמש להבטחת זווית מגע נסיגה אופטימלית במהלך תהליך הדפוס
Veeco Dektak 6 MVeecoפרופילומטר
VTC-100 ציפוי ספין ואקוםMTI תאגידציפוי ספין ואקום
Box הדמיה חלקיקי בקר מדפסת ; חומר ריפוי

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Choi, C. H., et al. Preparation of bacteria microarray using selective patterning of polyelectrolyte multilayer and poly(ethylene glycol)-poly(lactide) deblock copolymer. Macromolecular Research. 18 (3), 254-259 (2010).
  2. Smriga, S., Fernandez, V. I., Mitchell, J. G., Stocker, R.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Microorganism PatterningCapillarity Assisted AssemblyMicrofluidic PlatformColloidal Particle PatterningSingle Cell AnalysisMicrofluidic ChannelPDMS MicrofabricationBacterial Cell PatterningSequential DepositionMicrobe Microbe Interactions

Related Articles